Гравитация - что это такое? Сила гравитации. Гравитация Земли

Человечество издревле задумывалось о том, как устроен окружающий мир. Почему растет трава, почему светит Солнце, почему мы не можем летать… Последнее, кстати, всегда особенно интересовало людей. Сейчас мы знаем, что причина всему - гравитация. Что это такое, и почему данное явление настолько важно в масштабах Вселенной, мы сегодня и рассмотрим.

Вводная часть

Ученые выяснили, что все массивные тела испытывают взаимное притяжение друг к другу. Впоследствии оказалось, что эта таинственная сила обуславливает и движение небесных тел по их постоянным орбитам. Саму же теорию гравитации сформулировал гениальный чьи гипотезы предопределили развитие физики на много веков вперед. Развил и продолжил (хотя и в совершенно другом направлении) это учение Альберт Эйнштейн - один из величайших умов минувшего века.

На протяжении столетий ученые наблюдали за притяжением, пытались понять и измерить его. Наконец, в последние несколько десятилетий поставлено на службу человечеству (в определенном смысле, конечно же) даже такое явление, как гравитация. Что это такое, каково определение рассматриваемого термина в современной науке?

Научное определение

Если изучить труды древних мыслителей, то можно выяснить, что латинское слово «gravitas» означает «тяжесть», «притяжение». Сегодня ученые так называют универсальное и постоянное взаимодействие между материальными телами. Если эта сила сравнительно слабая и действует только на объекты, которые движутся значительно медленнее то к ним применима теория Ньютона. Если же дело обстоит наоборот, следует пользоваться эйнштейновскими выводами.

Сразу оговоримся: в настоящее время сама природа гравитации до конца не изучена в принципе. Что это такое, мы все еще полностью не представляем.

Теории Ньютона и Эйнштейна

Согласно классическому учению Исаака Ньютона, все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массе, обратно пропорциональной квадрату того расстояния, которое пролегает между ними. Эйнштейн же утверждал, что тяготение между объектами проявляется в случае искривления пространства и времени (а кривизна пространства возможна только в том случае, если в нем имеется материя).

Мысль эта была очень глубокой, но современные исследования доказывают ее некоторую неточность. Сегодня считается, что гравитация в космосе искривляет только лишь пространство: время можно затормозить и даже остановить, но реальность изменения формы временной материи теоретически не подтверждена. А потому классическое уравнение Эйнштейна не предусматривает даже шанса на то, что пространство будет продолжать влиять на материю и на возникающее магнитное поле.

В большей степени известен закон гравитации (всемирного тяготения), математическое выражение которого принадлежит как раз-таки Ньютону:

\[ F = γ \frac[-1.2]{m_1 m_2}{r^2} \]

Под γ понимается гравитационная постоянная (иногда используется символ G), значение которой равно 6,67545×10−11 м³/(кг·с²).

Взаимодействие между элементарными частицами

Невероятная сложность окружающего нас пространства во многом связана с бесконечным множеством элементарных частиц. Между ними также существуют различные взаимодействия на тех уровнях, о которых мы можем только догадываться. Впрочем, все виды взаимодействия элементарных частиц между собой значительно различаются по своей силе.

Самые мощные из всех известных нам сил связывают между собой компоненты атомного ядра. Чтобы разъединить их, нужно потратить поистине колоссальное количество энергии. Что же касается электронов, то они «привязаны» к ядру только лишь обыкновенным Чтобы его прекратить, порой достаточно той энергии, которая появляется в результате самой обычной химической реакции. Гравитация (что это такое, вы уже знаете) в варианте атомов и субатомных частиц является наиболее легкой разновидностью взаимодействия.

Гравитационное поле в этом случае настолько слабо, что его трудно себе представить. Как ни странно, но за движением небесных тел, чью массу порой невозможно себе вообразить, «следят» именно они. Все это возможно благодаря двум особенностям тяготения, которые особенно ярко проявляются в случае больших физических тел:

• В отличие от атомных более ощутимо на удалении от объекта. Так, гравитация Земли удерживает в своем поле даже Луну, а аналогичная сила Юпитера с легкостью поддерживает орбиты сразу нескольких спутников, масса каждого из которых вполне сопоставима с земной!
• Кроме того, оно всегда обеспечивает притяжение между объектами, причем с расстоянием эта сила ослабевает с небольшой скоростью.

Формирование более-менее стройной теории гравитации произошло сравнительно недавно, и именно по результатам многовековых наблюдений за движением планет и прочими небесными телами. Задача существенно облегчалась тем, что все они движутся в вакууме, где просто нет других вероятных взаимодействий. Галилей и Кеплер - два выдающихся астронома того времени, своими ценнейшими наблюдениями помогли подготовить почву для новых открытий.

Но только великий Исаак Ньютон смог создать первую теорию гравитации и выразить ее в математическом отображении. Это был первый закон гравитации, математическое отображение которого представлено выше.

Выводы Ньютона и некоторых его предшественников

В отличие от прочих физических явлений, которые существуют в окружающем нас мире, гравитация проявляется всегда и везде. Нужно понимать, что термин «нулевая гравитация», который нередко встречается в околонаучных кругах, крайне некорректен: даже невесомость в космосе не означает, что на человека или космический корабль не действует притяжение какого-то массивного объекта.

Кроме того, все материальные тела обладают некой массой, выражающейся в виде силы, которая к ним была приложена, и ускорения, полученного за счет этого воздействия.

Таким образом, силы гравитации пропорциональны массе объектов. В числовом отношении их можно выразить, получив произведение масс обоих рассматриваемых тел. Данная сила строго подчиняется обратной зависимости от квадрата расстояния между объектами. Все прочие взаимодействия совершенно иначе зависят от расстояний между двумя телами.

Масса как краеугольный камень теории

Масса объектов стала особым спорным пунктом, вокруг которого выстроена вся современная теория гравитации и относительности Эйнштейна. Если вы помните Второй то наверняка знаете о том, что масса является обязательной характеристикой любого физического материального тела. Она показывает, как будет вести себя объект в случае применения к нему силы вне зависимости от ее происхождения.

Так как все тела (согласно Ньютону) при воздействии на них внешней силы ускоряются, именно масса определяет, насколько большим будет это ускорение. Рассмотрим более понятный пример. Представьте себе самокат и автобус: если прикладывать к ним совершенно одинаковую силу, то они достигнут разной скорости за неодинаковое время. Все это объясняет именно теория гравитации.

Каково взаимоотношение массы и притяжения?

Если говорить о тяготении, то масса в этом явлении играет роль совершенно противоположную той, которую она играет в отношении силы и ускорения объекта. Именно она является первоисточником самого притяжения. Если вы возьмете два тела и посмотрите, с какой силой они притягивают третий объект, который расположен на равных расстояниях от первых двух, то отношение всех сил будет равно отношению масс первых двух объектов. Таким образом, сила притяжения прямо пропорциональна массе тела.

Если рассмотреть Третий закон Ньютона, то можно убедиться, что он говорит точно о том же. Сила гравитации, которая действует на два тела, расположенных на равном расстоянии от источника притяжения, прямо зависит от массы данных объектов. В повседневной жизни мы говорим о силе, с которой тело притягивается к поверхности планеты, как о его весе.

Подведем некоторые итоги. Итак, масса тесно связана и ускорением. В то же время именно она определяет ту силу, с которой будет действовать на тело притяжение.

Особенности ускорения тел в гравитационном поле

Эта удивительная двойственность является причиной того, что в одинаковом гравитационном поле ускорение совершенно различных объектов будет равным. Предположим, что у нас есть два тела. Присвоим одному из них массу z, а другому - Z. Оба объекта сброшены на землю, куда свободно падают.

Как определяется отношение сил притяжения? Его показывает простейшая математическая формула - z/Z. Вот только ускорение, получаемое ими в результате действия силы притяжения, будет абсолютно одинаковым. Проще говоря, ускорение, которое тело имеет в гравитационном поле, никак не зависит от его свойств.

От чего зависит ускорение в описанном случае?

Оно зависит только (!) от массы объектов, которые и создают это поле, а также от их пространственного положения. Двойственная роль массы и равное ускорение различных тел в гравитационном поле открыты уже относительно давно. Эти явления получили следующее название: «Принцип эквивалентности». Указанный термин еще раз подчеркивает, что ускорение и инерция зачастую эквивалентны (в известной мере, конечно же).

О важности величины G

Из школьного курса физики мы помним, что ускорение свободного падения на поверхности нашей планеты (гравитация Земли) равно 10 м/сек.² (9,8 разумеется, но для простоты расчетов используется это значение). Таким образом, если не принимать в расчет сопротивление воздуха (на существенной высоте при небольшом расстоянии падения), то получится эффект, когда тело приобретает приращение ускорения в 10 м/сек. ежесекундно. Так, книга, которая упала со второго этажа дома, к концу своего полета будет двигаться со скоростью 30-40 м/сек. Проще говоря, 10 м/с - это «скорость» гравитации в пределах Земли.

Ускорение свободного падения в физической литературе обозначается буквой «g». Так как форма Земли в известной степени больше напоминает мандарин, чем шар, значение этой величины далеко не во всех ее областях оказывается одинаковым. Так, у полюсов ускорение выше, а на вершинах высоких гор оно становится меньше.

Даже в добывающей промышленности не последнюю роль играет именно гравитация. Физика этого явления порой позволяет сэкономить много времени. Так, геологи особенно заинтересованы в идеально точном определении g, поскольку это позволяет с исключительной точностью производить разведку и нахождение залежей полезных ископаемых. Кстати, а как выглядит формула гравитации, в которой рассмотренная нами величина играет не последнюю роль? Вот она:

Обратите внимание! В этом случае формула гравитации подразумевает под G «гравитационную постоянную», значение которой мы уже приводили выше.

В свое время Ньютон сформулировал вышеизложенные принципы. Он прекрасно понимал и единство, и всеобщность но все аспекты этого явления он описать не мог. Эта честь выпала на долю Альберта Эйнштейна, который смог объяснить также принцип эквивалентности. Именно ему человечество обязано современным пониманием самой природы пространственно-временного континуума.

Теория относительности, работы Альберта Эйнштейна

Во времена Исаака Ньютона считалось, что точки отсчета можно представить в виде каких-то жестких «стержней», при помощи которых устанавливается положение тела в пространственной системе координат. Одновременно предполагалось, что все наблюдатели, которые отмечают эти координаты, будут находиться в едином временном пространстве. В те годы это положение считалось настолько очевидным, что не делалось никаких попыток его оспорить или дополнить. И это понятно, ведь в пределах нашей планеты никаких отклонений в данном правиле нет.

Эйнштейн доказал, что точность измерения окажется действительно значимой, если гипотетические часы движутся значительно медленнее скорости света. Проще говоря, если один наблюдатель, движущийся медленнее скорости света, будет следить за двумя событиями, то они произойдут для него единовременно. Соответственно, для второго наблюдателя? скорость которого такая же или больше, события могут происходить в различное время.

Но как сила гравитации связана с теорией относительности? Раскроем этот вопрос подробно.

Связь между теорией относительности и гравитационными силами

В последние годы сделано огромное количество открытий в области субатомных частиц. Крепнет убеждение, что мы вот-вот найдем окончательную частицу, дальше которой наш мир дробиться не может. Тем настойчивее становится потребность узнать, как именно влияют на мельчайшие «кирпичики» нашего мироздания те фундаментальные силы, которые были открыты еще в прошлом веке, а то и раньше. Особенно обидно, что сама природа гравитации до сих пор не объяснена.

Именно поэтому после Эйнштейна, который установил «недееспособность» классической механики Ньютона в рассматриваемой области, исследователи сосредоточились на полном переосмыслении полученных ранее данных. Во многом пересмотру подверглась и сама гравитация. Что это такое на уровне субатомных частиц? Имеет ли она хоть какое-то значение в этом удивительном многомерном мире?

Простое решение?

Сперва многие предполагали, что несоответствие тяготения Ньютона и теории относительности можно объяснить довольно просто, проведя аналогии из области электродинамики. Можно бы было предположить, что гравитационное поле распространяется наподобие магнитного, после чего его можно объявить «посредником» при взаимодействиях небесных тел, объяснив многие несоответствия старой и новой теории. Дело в том, что тогда бы относительные скорости распространения рассматриваемых сил оказались значительно ниже световой. Так как связаны гравитация и время?

В принципе, у самого Эйнштейна почти получилось построить релятивистскую теорию на основе именно таких взглядов, вот только одно обстоятельство помешало его намерению. Никто из ученых того времени не располагал вообще никакими сведениями, которые бы могли бы помочь определить «скорость» гравитации. Зато имелось немало информации, связанной с перемещениями больших масс. Как известно, они как раз-таки являлись общепризнанным источником возникновения мощных гравитационных полей.

Большие скорости сильно влияют на массы тел, и это ничуть не похоже на взаимодействие скорости и заряда. Чем скорость выше, тем больше масса тела. Проблема в том, что последнее значение автоматически бы стало бесконечным в случае движения со скоростью света или выше. А потому Эйнштейн заключил, что существует не гравитационное, а тензорное поле, для описания которого следует использовать намного больше переменных.

Его последователи пришли к выводу, что гравитация и время практически не связаны. Дело в том, что само это тензорное поле может действовать на пространство, но на время повлиять не в состоянии. Впрочем, у гениального физика современности Стивена Хокинга есть другая точка зрения. Но это уже совсем другая история...

Гравитация является одним из самых загадочных физических явлений. Ни о каком ином явлении не высказано, не написано, не защищено диссертаций, не присвоено академических званий и Нобелевских премий, как по гравитации.

Любые представления исторически обусловлены. Время меняет задачи, стоящие перед обществом, а это заставляет, как правило, менять и представления о тех или иных явлениях. Не является исключением и явление гравитации. Не могут не отличаться представление о гравитации у строителей египетских пирамид и у путешественников по космическому пространству.

2.Ньютоновское понимание гравитации

В ньютоновской гравитационной теории гравитация фактически полностью ассоциирована с силой тяжести или силой веса. Сущность гравитации по Ньютону в том, что к телу приложена сила - сила тяжести (в условиях Земли она обычно называется силой веса). Источник этой силы - другое или другие тела. Никакого гравитационного поля, фактически, нет. Гравитация есть прямое взаимодействие между телами. Это взаимодействие определяется Законом Всемирного Тяготения Ньютона. Никакого особого гравитационного пространства не существует. Гравитационное поле носит условный характер и служит лишь для удобства расчетов, никакой физики за этим понятием нет.

В земных условиях, например, при расчете статических конструкционных нагрузок, это удобное и наглядное представление.

3.Гравитационные явления в современном мире

Современный мир далеко вышел за рамки круга явлений, в которых сформировались ньютоновские гравитационные представления. Уже в начале прошлого века Альберт Эйнштейн обратил внимание на то, что даже явление в обычном лифте плохо согласуются с представлениями Ньютона. Это, а также релятивистский пунктик привели его к новому пониманию гравитации, отраженному в так называемой Общей теории относительности.

Сейчас общепринято, что ОТО есть гравитационная теория космологических масштабов и релятивистских движений. Но в масштабах макро- и мезомира, т.е. в области земной, планетарной (небесной) механики и космонавтики, ОТО не имеет смысла использовать и ничего нового эта теория дать не может. А если и дает, то только поправки в каких-то уж очень высоких приближениях. Поэтому мы остановимся на более детальном рассмотрении ньютоновских гравитационных представлений.

Одно из главных явлений, которое оказалось в центре рассмотрения механики в последние десятилетия, стало явление невесомости. Конечно, явление невесомости встречалось и ранее. Но было оно кратковременным и не осознавалось как некое особое механическое явление. Падает камень с Пизанской башни, ну и падает. Какая тут невесомость. Но развитие космонавтики вывело явление невесомости на первый план, была осознана его высокая значимость. Невесомость постепенно входит в разряд производственных и технологических факторов.

Но обращаясь к ньютоновским механическим представлениям, мы вдруг обнаруживаем, что этого понятия в механике Ньютона, фактически, не существует. По ньютоновским представлениям сила тяжести связана с гравитацией. Но вдруг оказалось, что это совсем не так. Покажем это.

Представим себе парашютиста на самолете перед броском в небо. Он стоит перед дверным проемом и находится в гравитационном поле, на него действует сила веса. Так считается по Ньютону. Но вот он делает шаг за дверь.Ясно, что гравитационное поле при этом не изменилось. И сила веса также не могла измениться. Но парашютист перешел в невесомое состояние, и потерял свой вес, неожиданно исчезла сила тяжести. Но ведь гравитационное поле не исчезло, оно каким было, таким и осталось. Поэтому очевидно, что и вес внутри самолета не был связан с гравитацией.

Иногда говорят, что сила веса вовсе не исчезла, а появилась (фиктивная) сила инерции, которая и уравновесила силу тяжести, так как парашютист стал двигаться ускоренно. Именно поэтому сам парашютист никакой силы веса не ощущает.

Правильно, в системе отсчета, к примеру, судейской коллегии, размещенной на земле, парашютист движется ускоренно. Но представим, что вместе с парашютистом выпрыгивает и фоторепортер, который снимает полет и действия парашютиста. И по отношению к этому фотографу парашютист может двигаться вверх, вниз, может стоять на месте. И где же тогда пресловутая сила инерции, связанная с ускоренным движением парашютиста? Как можно реальную силу, каковой, якобы, является сила тяжести, уравновесить фиктивной силой инерции, связанной с ускорением, если ускорение может иметь самый различный характер в зависимости от наблюдателя или вообще отсутствовать? Если принять, что земная судейская система отсчета более «правильная», чем система отсчета фотокорреспондента, то нужно доказать, что судейские фотоаппараты, судейские часы или дальномеры лучше, чем таковые же фотокорреспондента.

Так как это невозможно доказать, то приходится признать, что силы инерции есть фикция, а, следовательно, фикцией являются и силы тяжести, силы веса и вообще, все гравитационные силы, их просто не существует.. И парашютист в свободном падении движется именно свободно , т.е. без воздействия на него каких-либо сил (влиянием атмосферы пренебрегаем).

Тогда что же произошло с парашютистом, когда он делал свой шаг за борт самолета? А он вовсе не нагрузил себя таинственной фиктивной силой инерции, уравновесившей силу тяжести. Нет, он, наоборот, избавился от единственной реальной силы, действовавшей на него. Эта сила исходила от опоры, от пола самолета. И когда он освободился от нее, сделав шаг за пределы самолета, он и стал невесомым, стал свободным , на него перестали действовать какие-либо силы.

Таким образом, нет никаких гравитационных сил. Есть силы, действующие на человека, на камень на земле, на космонавта во время активного участка полета со стороны опоры. Если удалить опору, человек или камень станут свободными, невесомыми. Но силы, которая действует со стороны опоры на человека или камень никакие не гравитационные. Это обычные силы упругости, имеющие электрическую или, более обще, электромагнитную природу. А тело человека (подошвы) или камень, в свою очередь, обладают упругостью, и возникнет сила противодействия, направленная от подошв или камня к опоре. И эта сила тоже имеет электромагнитную природу. А где же гравитационные силы? Мы их не видим. Их нет.

Вот центральное, главное, фундаментальное утверждение, которое вытекает из космического опыта человечества: гравитационных сил нет . Запишем это самыми крупными буквами и станем на этом фундаменте создавать новую механику, механику космической эры.

4.Природа гравитации в свете опыта и представлений космонавтики

Но если нет гравитационных сил, нет силы тяжести, то значит нет и гравитации? Нет, это не так. Гравитация, конечно, существует..

Но природа ее совсем иная. Она вовсе не силовое взаимодействие между телами. Никакого силового взаимодействия между Солнцем и Землей, между Землейи Луной, между Землей и космическим кораблем, между Землей и камнем на ее поверхности нет.

Гравитация есть свойство . Свойство это состоит в изменении характера пространства вокруг гравитирующего тела. Всякое тело окружено некоторым ореолом, нимбом измененного пространства. Этот нимб тело носит при себе как нимб вокруг головы святого или атмосфера, ионосфера, магнитосфера вокруг Земли.И оторваться от тела в «самостоятельное плавание» этот ореол не может. Он привязан навечно к телу и перемещается вместе с ним.

Вот тут мы можем сразу же сопоставить свойство этого нимба со свойствами электромагнитного поля. Электромагнетизм имеет два заряда, положительный и отрицательный. Предположим, что мы имеем электронейтральный атом или молекулу. Тогда электрического поля, никакого электромагнитного нимба нет. Но вдруг из него вылетела положительно или отрицательно заряженная частица. Он стал ионом, электрически заряженным телом, и вокруг него должен появиться соответствующий нимб - электрическое поле. Его не было, а теперь должно стать. И вот тут и возникает вопрос: с какой скоростью это возникающее из не6ытия поле будет распространяться в пространстве. Понятно, что мгновенно поле во всем пространстве установиться не может. Оно будет распространяться вдаль от атома, переходя все дальше и дальше. Мы видим, что электромагнитное поле является близкодействующим, оно может в принципе отрываться от источников поля, у него имеется некоторая скорость распространения. И связано это исключительно с существованием двух видов электрических зарядов. Более точно с изменением дипольного момента, на который нет закона сохранения. Электромагнитное поле имеет связанную скорость распространения, связанную с движением источников поля, заряженных тел, например, при движении электрического заряда или магнита, и автономную скорость распространения, не связанную с движением материальных тел, являющейся универсальной константой - скоростью света.

В противорположеность электромагнетизму гравитации связана с источниками одного знака. Этот гравитационный источник, гравитационный заряд называется массой. Она всегда положительна и для нее существует закон сохранения... Более того, даже на массовый дипольный момент имеется закон сохранения - это, фактически, закон сохранения центра масс. Поэтому ниоткуда гравитационное поле возникнуть не может. Оно ввиду движения масс может как-то деформироваться, причем чем дальше находится точка наблюдения гравитационного поля от этих масс, тем больше требуется времени, чтобы эффект изменения поля был обнаружен. А на достаточном удалении от ограниченной системы масс она вообще может рассматриваться как единая нерасчлененная точечная масса, внутренние движения на достаточном удалении не могут изменить точечный характер этого поля. А на еще большем удалении гравитационное поле исчезает вообще, и никакими средствами мы его не сможем обнаружить. Пусть формально мы можем вычислить величину гравитационного поля Земли в другой галактике. Но очевидно, что это чисто теоретический артефакт. Отсюда прямо следует отсутствие пресловутых гравитационных волн , т.е. оторвавшихся от источников гравитационных полей. Гравитационных полей без источников не существует. Это в электромагнетизме испущенная электромагнитная волна теряет всякую связь с источником и есть «безисточниковое» электромагнитное поле. И в этом принципиальное отличие электромагнитного поля. Оно может действовать на любые расстояния. Так в наших оптических и радиотелескопах принимаются и воздействуют на приемникиэлектромагнитные поля, источник которых лежит в невообразимой дали, за миллионы и миллиарды световых лет. Электромагнитное поле - это поле с неограниченным радиусом действия в отличие от пространственно ограниченного гравитационного поля.

Заметим также, что существование гравитационных волн делает сомнительным принцип Галилея и самое существование инерциальных систем отсчета, а это уже ведет к катастрофическим последствиям для всей теоретической механики.

5.Гравитационные свойства пространства

Определим понятие свободного тела. Свободным телом мы будем называть тело, к которому не приложено никаких сил. Под силами, мы напоминаем и будем еще много раз напоминать, мы понимаем лишь воздействия электромагнитной природы. Ядерные и прочие микро- нано- фемто-силы вряд ли стоит рассматривать. А тела, на которые действуют силы (силы упругости, реактивные силы и иные силы электромагнитной природы) будем называть несвободными .

Определим понятие инерциальной системы отсчета. Инерциальной системой отсчета назовем такую систему отсчета, в которой свободные тела движутся равномерно и прямолинейно или покоятся. Иные системы отсчета будем называть неинерциальными . Отметим, что если у нас есть инерциальная система отсчета, то мы можем ввести и любое количество разнообразных неинерциальных систем отсчета, например, вращающиеся, колеблющиеся и т.д.

Определим теперь понятие галилеева пространства. Галилеевым будем называть пространство, в котором можно ввести инерциальную систему отсчета. Не во всяком пространстве можно ввести инерциальную систему отсчета. Если в пространстве нельзя ввести инерциальную систему отсчета, то такое пространство будем называть негалилеевым .

А теперь мы готовы сформулировать гравитационное свойство. Гравитационное свойство состоит в том, что в окрестности тела имеется область негалилеевости. В этой области невозможно ввести такую систему отсчета, чтобы в ней свободные тела двигались равномерно и прямолинейно или покоились.

Движения свободных тел будем называть естественными движениями . Там, где нет гравитации, там естественные движения могут иметь вид прямолинейный и равномерный. А гравитация приводит к тому, что естественные движения не могут иметь вид равномерный и прямолинейный. В гравитационном пространстве естественные движения гораздо более сложные. Это могут быть движения по окружностям, эллипсам, параболам,гиперболам и еще более сложным и замысловатымтраекториям. Сложнейшие траектории межпланетных космических аппаратов в свободном полете наглядно об этом свидетельствует. Почему это так - мы не знаем, гипотез не строим, а принимаем это как данную нам реальность..

Итак, теперь мы можем ответить на все поставленные выше вопросы в свете именно космического опыта.

1.Почему на орбитальном космическом корабле космонавт находится в состоянии невесомости? Ответ: не потому, что каким-то чудесным способом гравитационные силы уравновешиваются с мифическими инерционными. А по той простой причине, что он свободен, на него не действуют никакие силы .

2.Почему, если он свободен, он движется не прямолинейно, а по окружности? Ответ: потому что он находится в гравитационном поле, в области негалилеевости Земли, в которой движение свободных тел более сложное, в том числе может быть и круговое.

3.Почему Земля движется по кругу? Ответ: Земля является свободным телом. Никакие силы на нее не действуют. Но она находится в области негалилеевости (в гравитационном поле) Солнца. И свободное движение Земли является естественным движением - движением по кругу.

4.Какие силы действуют на камень на поверхности Земли? Одно из естественное движений камня в окрестности Земли, есть ускоренное падение в ее центр. Но поверхность Земли препятствует этому естественному движению путем приложения к камню силы, направленной вверх противоположно направлению естественного движения камня.. Сила эта не гравитационная, а обычная сила упругости, т.е. электромагнитной природы. Естественно, что по третьему закону Ньютона камень действует на свою опору с такой же силой, но уже вниз. Если вдруг опора исчезнет или потеряет твердость, то камень начнет естественное движение вниз, к центру Земли.

Отметим, что обычно силу, направленную от камня на опору - силу тяжести - считают активной силой, а силу от опоры к камню - силой реакции. В нашем представлении понятие активной силы и силы реакции поменялись местами. Активной стала сила от опоры к телу, силой реакции - сила от тела на опору. Это более отвечает механической логике. Активной является сила, которой можно управлять, а пассивной, силой реакции - это сила, возникающая ответно, автоматически. Силу опоры мы легко можем управлять. Опору можно убирать, ее можно делать более твердой, более мягкой и т.д. А сила от камня на опору при этом возникает автоматически. Например, когда камень лежит на ладони, то именно опорой мы можем манипулировать - держать камень, его подбрасывать и т.д. А действия камня на ладонь будут уже вторичными, ответными. Активную роль играет ладонь, а не камень.

6.Локальная галилеевость негалилеева пространства

У гравитационного поля есть уникальное свойство, резко отличающее его от электромагнитного. Самое удивительное, что это свойство теоретически до сих пор не освоено современной теоретической механикой, хотя практически оно используется, особенно в космонавтике, очень широко.

Если есть электромагнитное поле, то оно есть, и никакими преобразованиями систем отсчета его невозможно ликвидировать. Его компоненты, электрические или магнитные, могут преобразовываться друг в друга, но в области пространства, заполненного электромагнитным полем, оно есть в любой точке и в любой системе отсчета, у любого наблюдателя. У него есть инвариант.

Но совершенно иное мы имеем в гравитационном поле. Оказывается, гравитационное поле, т.е. область негалилеевости пространства, является одновременно локально галилеевым в каждой точке. Другими словами, можно исключить гравитационное поле в любой его точке и даже целой окрестности. Это следует из главного закона гравитации: в окрестности любого свободного тела имеется область галилеевости . Эта область может быть большой, глобальной, если свободное тело находится в галилеевом пространстве, или локальной, ограниченной, если само тело находится в негалилеевом, гравитационном пространстве.

Таким образом, мы приходим к важнейшему свойству гравитационного поля: гравитационное поле не абсолютно, а относительно. В любой точке гравитационного поля можно ввести такую систему отсчета, в окрестности которой его не существует.

До настоящего времени этот важнейший, центральный момент гравитации не был сформулирован в механической теории. А вот на практике он используется очень широко. Например, хотя Земля находится в области негалилеевости Солнца, но так как она свободное тело, то в ее ближайшей окрестности есть область галилеевости, в которой влиянием Солнца можно пренебречь. И если у Земли есть собственное гравитационное поле, то оно в этой окрестности накладывается не на поле Солнце, а на галилеево безгравитационное пространство, и мы можем рассчитывать в этой окрестности все движения так, как будто Земля находится сама по себе в галилеевом пространстве, и Солнца вообще не существует. Луна находится в области негалилеевости Солнца и Земли, но в окрестностях Луны мы можем учитывать только поле Луны, Космический корабль на орбите находится в области негалилеевости Солнца, Земли и Луны. Но при его свободном орбитальном движении внутри самой станции мы можем считать пространство галилеевым (собственное гравитационное поле станционной массы пренебрежимо мало) и в ней можно ввести инерциальную систему отсчета, в которой выполняется принцип Галилея. Причем это распространяется не только на внутреннее пространство станции, но и на ближайшую внешнюю окрестность ее. Это позволяет при стыковке с другим кораблем на близких расстояниях пользоваться механикой инерциальных систем отсчета и даже не принимать во внимание самое существование Земли и ее гравитационного поля. Это существенно упрощает расчеты движений и управлений. В то же время по мере удаления от станции все более и более существенными становятся негалилеевы характеристики окружающего пространства, ввиду лишь локальной его галилеевости. Поэтому при стыковке на «далеких рубежах» надо принимать во внимание гравитационное поле Земли, но можно не учитывать поле Солнца и Луны. К сожалению, существующая механика не дает инструментов учета гравитационного поля Земли в системе отсчета космического корабля и расчетчикам приходится переходить в земную систему отсчета, что, конечно, не удобно.

Итак, мы видим, сколь важную практическую значимость имеет принцип локальной галилеевости негалилеева пространства. И механическая теория, в которой этот принцип не имеет места, не может считаться пригодной для использования в космонавтике. А в ньютоновской механике этого принципа не существует. В этой механике гравитационное поле рассматривается только глобально, как правило, в единой выделенной «коперникианской» системе отсчета - системе отсчета центра масс. Мы назвали эту систему отсчета коперникианской, так как честь обнаружения «главных», выделенных систем отсчета, по праву, принадлежит Копернику. Но космонавтика требует отхода от коперникианской парадигмы, и такой отход происходит постоянно при навигационных космических расчетах. Использование локальных систем отсчета и есть отказ от парадигмы коперникианского глобализма при описании гравитационных полей. Вот почему новую механику можно назвать неньютоновской и некоперникианской или, может более правильно, неоптолемеевской.

Вновь отметим, в механике, связанной с механическими явлениями на поверхности Земли, ньютоновский подход достаточно удобен и эффективен, что показывает все развитие механики в течение столетий. Но в космонавтике этот подход вызывает большие трудности, о которых мы говорили выше. И новый подход максимально раскрывает логику механических процессов в космосе, открывает возможности более простого решения известных задач и формулировки новых.

7.Весомость как фундаментальное понятие механики

Мы показали, что во многих задачах механики, в частности, в задачах небесной механики,исчезают силы. Ведь небесная механика рассматривает, по преимуществу, свободные небесные тела, т.е. тела, к которым не приложены никакие силы.

Как известно, в ньютоновской механике понятие силы является фундаментальным, основным понятием. В механике оно даже не определяется, а берется из других наук, например, физики. Аналогично тому, как в механике не определяется понятия расстояния, оно является для нее фундаментальным и берется из геометрии.

Ясно, что в качестве фундаментальных понятий при аксиоматическом построении теории желательно использовать наиболее важные и широко используемые характеристики. Но парадокс состоит в том, что в разных масштабных областях механического мира таковыми становятся разные характеристики.

Например, ньютоновская механика наиболее хорошо приспособлена для описания явлений макромеханики, т.е. механических явлений в масштабах, сопоставимых с размером человека. И здесь сила является чрезвычайно важным понятием и использование ее в качестве фундаментального понятия вполне оправдано. Действительно, мы наглядно видим по напряжению жил силу лошади, тянущей фуру с дровами, мы видим силу натяжения лука, легко представляем силу на водиле паровой машины. Наконец, по напряжению своих мышц и напряженному дыханию видим силу веса поднимаемого нами бревна.

Но уже в области микромира силы становится плохо представимыми. И на первое место выходят иные механические характеристики, такие как энергия и действие. И соответственно возникают новые механические модели, теории, известные под общим названием «аналитической динамики». Это механики Лагранжа,Гамильтона, Пуанкареи т.д. Фактически, это разные «языки» механики, в которых удобно описывать свой класс и прежде всего масштабный уровень механических явлений. Хотя они в принципе эквивалентны, т.е. дают одинаковые решения одной и той же задачи, но в каждом языке есть класс задач, наиболее наглядно и просто решаемый именно в нем. Более того, распространение механики в область микромира, в квантовую область оказалось возможным именно в этих новых «энергетических» языках, например, в гамильтоновом языке, а для языка Ньютона так и не было построено расширение в квантовую область. Это уже показывает важность создания новых механических языков. Без построения целого класса таких языков на рубеже 19 - 20 веков, возможно, было бы невозможно создание механики микрочастиц, а без этого и создание всей техники, использующей их - электроники, атомной энергетики и т.п. Вот каково значение «языков механики». Ньютоновский язык послужил основой промышленной революции XVIII века и создания механических машин и механизмов. Неньютоновские, энергетические языки механики послужили базисом создания в двадцатом веке теории микромеханических процессов, каковая теория стала базой создания всей электроники, ядерной физики, лазерной техники и других областей техники в двадцатом веке.

Космонавтика, появившаяся в середине двадцатого века, до сих пор использует механический язык Ньютона, который разработан для иных масштабов механических явлений. Для космонавтики он плохо подходит. Отсутствие в этом языке такого центрального понятия как невесомость, а тем более «весомость», широкое использование таких уродливых и недопустимых в науке словечек как «перегрузка» (а что такое «грузка»?) с еще более ужасными словосочетаниями как «отрицательная перегрузка», «недоперегрузка» и т.д. говорит само за себя. Космонавтика и вообще, область мегамира нуждается в собственном, более адекватном языке. И очевидно, что использование понятия «силы» в качестве фундаментального понятия этого языка уже не может иметь места. Необходимо новое фундаментальное механическое понятие, на базе которого и должен строиться новый язык механики, более адекватный задачам описания космонавтики и мегамира.

Для того, чтобы найти это новое фундаментальное понятие, обратимся к космонавтике. В космонавтике «невесомость» есть центральное понятие.

Мы все легко можем определить наличие невесомости по телевизионной картинке. Но что это такое с точки зрения механической науки? Приведем лишь некоторые из определений невесомости из наиболее авторитетных источников..

Невесомость - состояние, когда сила взаимодействия тела с опорой (кажущийся вес тела), возникающая в связи с гравитационным притяжением или в связи с ускорением тела, исчезает. Иногда можно слышать другое название этого эффекта - микрогравитация.(Википедия ).

Определение просто невразумительное. Что за «сила взаимодействия в связи с ускорением»? Нет такого понятия в механике. А что такое «кажущийся вес»? И путать микрогравитацию с невесомостью вряд ли допустимо. Это разные понятия.

Невесомостью называется состояние, при котором действующие на тело гравитационные силы не вызывают взаимных давлений его частей друг на друга (Астрономический словарь на сайте Института космических исследований РАН) .

Вообще непонятно, почему вдруг «взаимные давления» внутри тела исчезают в космосе или у парашютиста в прыжке? Что, у него исчезает сердечное давление или клапан уже не давит на свое седло. Или исчезает внутреннее давление в жидкости, формирующее сферические капли в невесомости? И как определить, эти взаимные давления связаны с гравитационными силами или нет? И разве это соответствует телевизионной картинке с космического корабля? Даже самый малограмотный человек сразу скажет, что невесомость - это что-то совсем иное, а тем более сами космонавты.

Невесомость , - состояние тел вне сил притяжения (Русский орфографический словарь Российской академии наук).

Определение способно вызвать только улыбку. Но ведь создатели словаря - лингвисты - не сами это придумали, а пользовались, наверняка, консультацией специалистов из Академии наук.

Невесо мость - состояние материального тела, при котором действующие на него внешние силы или совершаемое им движение не вызывают взаимных давлений частиц друг на друга (Большая советская энциклопедия ).

Сопоставить как однопорядковое «силы» и «совершаемые движения» - это что-то лежащее за пределами механики. Заметим также, что во всех определениях имеется термин «состояние», хотя в механике нет понятия«состояние».

Таким образом, центральное понятие космонавтики - невесомость - в современной механике вообще не имеет сколько-нибудь корректного описания. Ощущение такое, что для теоретической механикиона «терра инкогнито», ворвавшаяся в сферу реальной механической практики, но для которой места в теории нет. Потому и сочиняют кто во что горазд.

Но если есть «невесомость», то должна быть и «весомость», отсутствие каковой создает «не-весомость». Таково требования научной логики, законов построения языков науки.

И для построения нового языка мы постулируем существование нового понятия механики - понятия «механического состояния механического объекта ». Этого понятия нет в механике Ньютона. Это новое концептуальное понятие для нового языка. И соответственно «весомость » есть характеристика механического состояния тела . А невесомость есть особый, частный случай весомого состояния, весомого состояния с отсутствующей весомостью.

Остается дать характеристику понятию весомость. Мы принимаем, что в новом языке механики весомость есть фундаментальное, неопределяемое в самом языке понятие, заменяющее фундаментальное понятие силы в ньютоновском языке. Весомость есть вектор, приложенный к самому телу и перемещающийся вместе с телом.

Мы не можем определить в самом языке понятие весомости, но зато можем дать описание устройств, которые измеряют эту величину. Эти измерители весомости мы будем называть «весомометрами ». Оказывается, весомометры широко используются в технике и, прежде всего, в космонавтике. Только носят они странное название «акселерометров », т.е. измерителей ускорений. Понятно, что никакого ускорения грузикна пружинке измерять не может (Академик Ишлинский поэтому предлагал для этих приборов название «ньютонометры», что лучше, но не совсем). Измеряет он не кинематическую характеристику - ведь последняя величина относительная и зависит от системы отсчета и наблюдателя, а именно характеристику механического состояния объекта. Есть и еще одно название у весомометров - это название «гравиметры », которое используется в гравиметрии. Это, во всяком случае, лучше, чем акселерометр. Заодно заметим, что человек (и иные животные) имеет орган чувства - шестой орган чувства - который состоит из целого набора весомометров. Этот орган чувства - вестибулярный аппарат - расположен во внутреннем ухе человека. Сами физиологические весомометры имеют некоторое медицинское название, но не имеют механического, ибо назвать эти внутренние физиологические весомометры акселерометрами у теоретиков-механиков не хватило духу, слишком это бы резало уши .

А связь неоптолемеевской механики с механикой Ньютона осуществляется через понятие силы . Нотеперь сила есть уже вторичное, производное понятие. Сила есть векторная величина пропорциональный произведению модуля весомости и массы тела и антиколлинеарный вектору весомости.

Здесь m - масса, W - вектор весомости, F - вектор силы. Вновь напомним, силы только электромагнитные, гравитационных нет. Так как к камню приложена сила опоры, направленная вверх, то весомость тел на Земле направлена вниз.

Отсюда сразу же видно, что с точки зрения ньютоновской механики весомость есть удельная сила, т.е. сила на единицу массы, правда, ориентированная в противоположную сторону по отношению к вектору силы.

И, наконец, уже не просто определение силы, а содержательная аксиома механики состоит в третьем законе Ньютона: сила реакции равна активной силе, но направлена в противоположную сторону.

Связь между движением и механическим состоянием в инерциальной системе отсчета в новой механике дается модифицированным Вторым законом (аксиомой) Ньютона : ускорение пропорционально весомости, но направление его обратно вектору весомости.

w – ускорение тела в инерциальной системе отсчета, W - его весомость. Получаем фундаментальный закон механики в очень простом виде. В это уравнение не входят никакие внутренние, имманентные характеристики тела. Это очень важно. Все тела движутся одинаково, если находятся в одинаковом механическом состоянии от какой-нибудь пылинки до снаряда главного калибра линкора.

В свое время Галилей, бросая камни с Пизанской башни, пришел к выводу, что все тела падают одинаково. Новый закон механики расширяет это утверждения до такого: все тела движутся одинаково, если находятся в одинаковом механическом состоянии.

В СИ единицей весомости является единица Н/кг. Эту единицу в гравиметрии принято называть Галилео, сокращенно Гл. Весомость на поверхности Земли 9.81 Гл, на поверхности Луны - 1.62 Гл, в ракете на участке выведения порядка 40 Гл, на боевом развороте в истребителе до 80 Гл, баллистической ракеты «Тополь-М» на взлете до 120 Гл, весомость пушечного снаряда при разгоне в канале ствола может составлять до 100 кГл., микрогравитационная весомость в орбитальной станции составляет порядка 1 нГл (наноГалилео). Мы видим, в каких больших пределах изменяется весомость, с которой имеет дело практика.

8.Весомика

Новая механика инициирует создание новой механической дисциплины - весомики . Это наука о механическом состоянии. Она найдет свое применение в самых различных прикладных науках и техниках. Это космическая, авиационная и морская медицина, биофизика, ветеринария, прочностные науки, спортивная медицина, механика спортивных дисциплин, механика и конструирование машин, аппаратов и парковых аттракционов и т.п. И прежде всего она даст всем этим наукам и техникам единую научною терминологию вместо каких-то странных «перегрузок», «недогрузок» и т.п.В новой механике весомика призвана занять такое же место, как статика в ньютоновской механике.

Итак, мы определили основные понятия нового механического языка. Если механический объект рассматривается как элементарный, неделимый, то он характеризуется единым вектором весомости, как и единой силой. Если же мы имеем составной механический объект, называемый телом, то имеем распределение весомости на теле. Это распределение может быть плоским, т.е. все части тела имеют одинаковую весомость. Но может быть и сложным, если тело совершает собственные движения, например, вращения или находится в негалилеевом пространстве.

9.Описание гравитационного поля

Итак, гравитационное поле есть область негалилеева пространства. Как же описать это пространство?

В ньютоновской механике есть гравитационные силы. Потому гравитация описывается напряженностью поля, т.е. распределением удельных гравитационный сил, сил, приложенных к единичной массе.

Но в новой механике нет гравитационных сил, а гравитация есть всего лишь свойство пространства. Поэтому ньютоновский подход не пригоден.

В гравитационном подходе Эйнштейна гравитация есть свойство, которое искривляет пространство. Это искривление приводит к тому, что координатная сетка (геодезические линии), которая в ОТО состоит из линий движения света, становится искривленной. Кривизна этого пространства и определяет гравитационное поле. Но ни в области космонавтики, ни в небесной механики, и даже в звездной и галактической механике это описание практически неприменимо. Слишком ничтожны в этих масштабах искривления световых траекторий и практические гравитационные поля для ОТО слишком малы. Использовать ОТО в области практически используемых гравитационных явлений то же самое, что использовать метровую рулетку для измерения атомных расстояний. В отличие от этого ньютоновский подход приводит к адекватным гравитационным характеристикам в масштабах космонавтики или небесной механики.

Итак, мы приходим к выводу: ньютоновский подход дает хорошее описание практически значимых гравитационных полей, но он основан на гравитационных силах, которых у нас нет, эйнштейновский подход основан на изменении свойств пространства, но он эффективен лишь в области сверхсильных гравитационных полей, ни в космонавтике, ни в небесной механике практически не встречающихся. Ему, возможно, есть место в космологии, но никак не в области описания полетов на околоземные орбиты или внутри Солнечной системы. А требуется создать описание гравитационного поля размерностно адекватное ньютоновскому, но при этом основывать это описание на изменении свойств пространства, как в эйнштейновском подходе.

И оказывается, это можно сделать. Для этого только нужно использовать фундаментальную величину новой механики - весомость.

В галилеевом пространстве можно создать инерциальную систему отсчета, в которой свободные тела движутся равномерно и прямолинейно или покоятся. Отсюда следует, что в галилеевом пространстве можно создать среду из покоящихся и невесомых тел. Но эта среда как раз и может быть системой отсчета. Нужно лишь эти покоящиеся невесомые тела определенным образом пометить, приписать им координаты, ииспользовать их для описания движений тел.

В негалилеевом пространстве свободные тела не могут быть неподвижны относительно друг друга. Любой ансамбль свободных тел начнет расползаться. А если мы хотим, чтобы тела в гравитационном поле были неподвижны друг относительно друга, их надо как-то скрепить друг с другом, т.е. приложить к ним силы. Причем, опять-таки, никакие не гравитационные, а обычные, электрической или магнитной природы.

Но если мы приложили к телам силы, то они уже перестают быть свободными и становятся уже весомыми. И в этой неподвижной среде существует распределение весомости. Это распределение весомости мы и можем использовать в качестве полевой характеристики гравитационного поля. Таким образом, именно поле весомости в неподвижной среде и может стать характеристикой гравитационного поля. Это распределение весомостей мы также можем назвать напряженностью гравитационного поля .

Легко видеть, что мы пришли численно к тому же самому ньютоновскому гравитационному полю, к удельной силе, только теперь ее переинтерпретировали:: не удельная сила тяготения, а удельная сила негравитационных сил, т.е. весомость, стала напряженностью гравитационного поля. Но значения напряженностей гравитационных полей в обеих теориях полностью совпадают.

Казалось бы, мыпришли к тому же самому, и никакой разницы в реальном описании гравитационных полей нет. Но не совсем. Дело в том, что гравитационная сила абсолютна, абсолютны силы, действующие между гравитирующими телами по закону всемирного тяготения. Потому гравитационного поля единственны и абсолютны. Они требует единственной и выделенной системы отсчета, т.е. коперникианской системы отсчета. Но в новой механике это есть распределение весомостей в жесткой виртуальной среде. А таких виртуальных сред можно ввести в пространстве сколько угодно. Нет априори выделенных сред.. Можно выбирать в качестве исходных тел различные тела, к которым и «прикреплять» другие тела с целью создания координатной среды. От абсолютного гравитационного поля мы приходим к многовариантному, относительному гравитационному полю. Так мы пришли к еще большей общей относительности гравитации, она оказывается «еще более относительной», чем это представлялось Эйнштейну.

Но эта относительность уже отнюдь не теоретический кунштюк для какой-то там «общей ковариантности». Она практична и необычайно важна для космонавтики. Например, мы можем в качестве исходного тела принять центр Земли и построить гравитационное поле в системе отсчета с неподвижным центром Земли. Космонавт на орбите может принять в качестве исходного тела свой корабль и построить систему отсчета с самим собой в качестве неподвижного начала отсчета и с соответствующим распределением весомостей в этой среде, каковая и будет гравитационным полем. Это космонавтоцентрицеское гравитационное поле будет существенно отличаться от геоцентрического.Конечно, необходимо еще открыть законы перехода от одного гравитационного поля к другому, и создать соответствующий математический аппарат,. Но это уже дело техническое. И космонавту в ряде случаев будет удобнее рассматривать движение тел в космонавтоцентрической системе отсчета. А лунонавту на лунной станции - в селеноцентрической системе отсчета, земному астроному - в геоцентрической (птолемеевской), а школьникам и студентам для наглядного представления строения Солнечной системы будет полезно использовать гелиоцентрическую систему. Таким образом, неоптолемеевская механика не отвергает коперникианскую, а всего лишь ставит ее в один ряд с другими системами отсчета, в том числе и птолемеевской. И вопрос, какая система правильная, вопрос, за который столько пролито крови и всходили на костры, оказался вопросом не религии или идеологии, а чистого прагматизма- какая система выгодней в той или иной задаче, такой и надо пользоваться. Новая механика объединяет Птолемея и Коперника, Джордано Бруно и его палачей.

При этом сразу же отметим, что все перечисленные выше системы отсчета связаны со свободными телами, потому все они локально галилеевы, т.е. в начале этих систем нет гравитационного поля, а напряженность поля нулевая.. Мы получили важнейшее свойство гравитационных полей, связанных со свободными телами, которого нет в нынешней механической теории, а вот практическая космонавтика ими пользуется давно. Но использование тех или иных схем и фактов без их теоретического обоснования нередко ведет к ошибкам и иным неблагоприятным результатам. Вот почему теоретическое обоснование космической практики важно.

10.Движение тел в гравитационном поле

А теперь мы можем записать и уравнение движения свободных тел в гравитационном поле. Это уравнение записывается очень просто: ускорение w свободного (невесомого) тела равно напряженности гравитационного поля V :

Каково ускорение свободного падения в поле Земли? Оно численно равно напряженности гравитационного поля на поверхности Земли и направлено в ту же сторону. Весомость на поверхности Земли нам известна, W =9.81 Гл. Но эта весомость есть одновременно и напряженность гравитационного поля на поверхности Земли, V =9.81 Гл. Отсюда и ускорение свободного падения численно равно напряженности поля, но имеет, естественно, другие единицы измерения - w =9.81 м/c 2 .

И, наконец, обобщенный закон движения весомого тела в гравитационном поле будет: ускорение весомого тела в гравитационном поле равно напряженности поля за минусом его весомости, т.е.

Мы получили обобщение Второго закона Ньютона. Он прекрасно объясняет все факты. Если тело неподвижно, ускорение равно нулю, то в гравитационном поле весомость равна напряженности поля и наоборот, напряженность гравитационного поля равна весомости неподвижных тел. Если гравитационного поля нет, то ускорение равно весомости тела с обратным знаком.А если есть гравитационное поле, а тело свободно, то его ускорение направлено вдоль напряженности поля и численно равно ему. Очень простая и наглядная интерпретация движений и состояний.

Заметим опять, никакие собственные, внутренние характеристики (например, масса) тела в это уравнение не входят. Важность этого для навигационных расчетов в космонавтике и вообще в механике трудно переоценить. Это еще большее расширение принципа Галилея: все тела в одном гравитационном поле и в одном механическом состоянии движутся одинаково.

11.Гармонические системы отсчета

Но сразу же отметим, что это уравнение получено не для произвольной системы отсчета, а лишь для специальных, так называемых, гармонических систем отсчета. Гармонической системой отсчета является система отсчета, которая инерциальна на бесконечности. Инерциальные системы отсчета являются, естественно, и гармоническими. Но неинерциальные системы отсчета в галилеевом пространстве уже негармоничны. В негалилеевом пространстве инерциальных систем не существует, но существуют системы отсчета, которые инерциальны за пределами области негалилеевости, т.е. на бесконечности. Это и есть гармонические системы отсчета. Если гравитацию «снять», то они превращаются в инерциальные системы отсчета. Например, система отсчета, связанная с Землей, ориентированная на удаленные звезды, не является инерциальной в связи с наличие поля Земли, но она гармонична. Поэтому проблема построения инерциальной системы отсчета на Земле формулируется не совсем верно. Это проблема построения гармонической системы отсчета. Она очень важна даже в бытовой жизни, например, для сотовой и космической связии систем космической навигации. Решаться она может либо по далеким звездам, либо через использование внутренних стабилизирующих устройств, например, гироскопов. Это также является важнейшей и постоянной задачей космонавтики.

Законы движения в негармонических, фактически, вращающихся системах отсчета усложняются, но на этом мы останавливаться не будем, так как наша задача не построение всей новой механики, а лишь демонстрация ее необходимости и формулировка тех основных понятий и законов, которые отличают ее от нынешней ньютоно-коперникианской механики. И вновь подчеркнем. Нынешняя механика не отвергается, она хороша и верна для круга явлений либо вне гравитационного поля, либо в постоянном гравитационном поле, т.е. в механике на поверхности Земли. Но в космонавтике, где имеется сложнейшее сочетание изменяющихся гравитационных полей и разнообразнейших движений, где объектом движения становятся не мертвые камни и космические тела, а мыслящее существо, человек, она неудовлетворительна.

12.Уравнения гравитационного поля

А теперь мы можем записать уравнения гравитационного (весомостного) поля. Это уравнение имеет вид идентичный полевому уравнению в ньютоновской механике:

Здесь r есть плотность вещества.

На первый взгляд это обычное уравнение ньютоновского гравитационного поля. Но здесь есть тонкости. Они следующие:

1.Полевое уравнение в механике Ньютона записывается в системе центра масс, т.е. в коперникианской системе отсчета. В нашей механике это уравнение верно для любой гармонической системы отсчета. Т.е. оно верно как для системы Солнца, так и в системе отсчета Земли и в системе отсчета орбитального или межпланетного корабля.

2.Из математики известно, что для решения этого уравнения необходимо задать или граничные, или начальные условия. Электромагнитное поле требует задания граничных условий. А вот гравитационное поле требует задания начальных. Граничные условия - нулевые условия на бесконечности для гармонической системы отсчета удовлетворяются автоматически. А начальные условия, т.е. напряженность поля в начале системы отсчета, т.е. весомость начального тела системы отсчета должны быть задано. И если начало системы отсчета связано со свободным телом, то эта система отсчета является локально инерциальной и начальное значение поля является нулевым. V (0)=0.

3.Из математики также известно, что для определения векторного поля задание одной дивергенции. недостаточно. Необходимо задать еще и ротор поля. Если принять, что гравитационное поле является потенциальным, то это означает, что ротор поля равен нулю и тогда система уравнений гравитационного поля в гармонической системе отсчета запишется в виде:

Таким образом, эта система полевых уравнений описывает гравитационное поле (поле весомости) в гармонической системе отсчета. Для негармонических систем отсчета распределение поля весомости будет иным, но об этом мы пока не будем распространяться.

13.Расширение гравитационной теории гравитации Ньютона

Существует ли расширение гравитационной теории? Мы имеем ввиду стандартный путь расширения путем добавления некоторых новых членов? Да. Для этого стоит ввести в правую часть второго уравнения ненулевой член. Так как уравнение аксиально-векторное, то и справа нужно внести какую-то аксиально-векторную характеристику среды. Есть такая? Да, это плотность собственного момента вращения (спина) s . И учитывая размерности, мы можем этот систему уравнений гравитационного поля в гармонической системе отсчета записать в виде:

Здесь а - некоторая безразмерная константа, которую предстоит еще определить из наблюдений.

Что означает добавление этого члена? Это означает, что в окрестности вращающегося тела имеется дополнительная вихревая компонента гравитационного поля. Вихревое поле одиночного вращающегося тела подобно магнитному полю одиночного магнитного диполя. Оно спадает очень быстро, по кубу радиуса. И потому может оказывать влияние на движение только в ближайшей окрестности.

В ближайшей окрестности Солнца находится планета Меркурий. Несоответствие ее движения ньютоновским законам отмечено уже давно. И если считается, что это нашло свое отражение в эйнштейновской гравитационной теории, то почему это не может найти отражение и в модернизированной, неоньютоновской теории гравитации? Другой возможный эффект связан с воздействием этого поля на гироскоп в виде изменения оси его вращения.. И этот эффект, видимо, уже обнаружен в эксперименте на американском спутнике GP -B (гравитационный зонд – B ), запущенном в апреле 2004 года.

Возможны и иные проявления этого поля. При расчетах искривления света при прохождении его вблизи диска Солнца по ньютоновской теории (по этой теории все механические объекты движутся одинаково, движение определяется лишь начальными условиями) значение получается отличным от наблюдаемого. Вполне можно допустить, что это связано именно с влиянием вихревого поля Солнца. Вихревое поле будет особенно сильно влиять на движение газообразного и плазменного вещества в верхней оболочке Солнца. Вполне возможно, что это даст новые подходы в физике Солнца и солнечной атмосферы и ее активности. Вообще, вращение есть один из важнейших астрофизических факторов. И введение вихревой компоненты гравитационного поля может очень сильно изменить наши представления об устройстве мегамира. Образно говоря, если потенциальная компонента гравитационного поля обеспечивает устойчивость вселенной, то вихревая придает ему динамику. А ведь поразительную динамичность мы и наблюдаем в космосе, мегамире и даже на Земле.

14.Заключение

Прошлая (и нынешняя) ньютоно-коперникианская механика не отвечает требованиям, которые ставит перед механической теорией современная космонавтика. Она не дает космическому опыту адекватного теоретического описания,а нередко и просто ему противоречит. Только новая неньютоновская и некоперникианская механика позволит открыть перед космонавтикой и, даже более широко, перед механикой и ее практическими приложениями новые горизонты. В основе этой механики лежит новое понимание гравитации, гравитации без гравитационных сил, но, возможно, с вихревой компонентой.

Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы и , разделёнными расстоянием , пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния - то есть:

Здесь - гравитационная постоянная , равная примерно 6,6725×10 −11 м³/(кг·с²).

Закон всемирного тяготения - одно из приложений закона обратных квадратов , встречающегося также и при изучении излучений (см., например, Давление света), и являющегося прямым следствием квадратичного увеличения площади сферы при увеличении радиуса, что приводит к квадратичному же уменьшению вклада любой единичной площади в площадь всей сферы.

Гравитационное поле, так же как и поле силы тяжести , потенциально . Это значит, что можно ввести потенциальную энергию гравитационного притяжения пары тел, и эта энергия не изменится после перемещения тел по замкнутому контуру. Потенциальность гравитационного поля влечёт за собой закон сохранения суммы кинетической и потенциальной энергии и при изучении движения тел в гравитационном поле часто существенно упрощает решение. В рамках ньютоновской механики гравитационное взаимодействие является дальнодействующим . Это означает, что как бы массивное тело ни двигалось, в любой точке пространства гравитационный потенциал зависит только от положения тела в данный момент времени.

Большие космические объекты - планеты, звезды и галактики имеют огромную массу и, следовательно, создают значительные гравитационные поля.

Гравитация - слабейшее взаимодействие. Однако, поскольку оно действует на любых расстояниях, и все массы положительны, это, тем не менее, очень важная сила во Вселенной. В частности, электромагнитное взаимодействие между телами на космических масштабах мало, поскольку полный электрический заряд этих тел равен нулю (вещество в целом электрически нейтрально).

Также гравитация, в отличие от других взаимодействий, универсальна в действии на всю материю и энергию. Не обнаружены объекты, у которых вообще отсутствовало бы гравитационное взаимодействие.

Из-за глобального характера гравитация ответственна и за такие крупномасштабные эффекты, как структура галактик, черные дыры и расширение Вселенной, и за элементарные астрономические явления - орбиты планет, и за простое притяжение к поверхности Земли и падения тел.

Гравитация была первым взаимодействием, описанным математической теорией. Аристотель считал, что объекты с разной массой падают с разной скоростью. Только много позже Галилео Галилей экспериментально определил, что это не так - если сопротивление воздуха устраняется, все тела ускоряются одинаково. Закон всеобщего тяготения Исаака Ньютона (1687) хорошо описывал общее поведение гравитации. В 1915 году Альберт Эйнштейн создал Общую теорию относительности , более точно описывающую гравитацию в терминах геометрии пространства-времени.

Небесная механика и некоторые её задачи

Наиболее простой задачей небесной механики является гравитационное взаимодействие двух точечных или сферических тел в пустом пространстве. Эта задача в рамках классической механики решается аналитически в замкнутой форме; результат её решения часто формулируют в виде трёх законов Кеплера .

При увеличении количества взаимодействующих тел задача резко усложняется. Так, уже знаменитая задача трёх тел (то есть движение трёх тел с ненулевыми массами) не может быть решена аналитически в общем виде. При численном же решении достаточно быстро наступает неустойчивость решений относительно начальных условий. В применении к Солнечной системе эта неустойчивость не позволяет предсказать точно движение планет на масштабах, превышающих сотню миллионов лет.

В некоторых частных случаях удаётся найти приближённое решение. Наиболее важным является случай, когда масса одного тела существенно больше массы других тел (примеры: Солнечная система и динамика колец Сатурна). В этом случае в первом приближении можно считать, что лёгкие тела не взаимодействуют друг с другом и движутся по кеплеровым траекториям вокруг массивного тела. Взаимодействия же между ними можно учитывать в рамках теории возмущений и усреднять по времени. При этом могут возникать нетривиальные явления, такие как резонансы , аттракторы , хаотичность и т. д. Наглядный пример таких явлений - сложная структура колец Сатурна.

Несмотря на попытки точно описать поведение системы из большого числа притягивающихся тел примерно одинаковой массы, сделать этого не удаётся из-за явления динамического хаоса .

Сильные гравитационные поля

В сильных гравитационных полях, а также при движении в гравитационном поле с релятивистскими скоростями, начинают проявляться эффекты общей теории относительности (ОТО):

• изменение геометрии пространства-времени;
  • как следствие, отклонение закона тяготения от ньютоновского;
  • и в экстремальных случаях - возникновение чёрных дыр ;
• запаздывание потенциалов, связанное с конечной скоростью распространения гравитационных возмущений ;
  • как следствие, появление гравитационных волн;
• эффекты нелинейности: гравитация имеет свойство взаимодействовать сама с собой, поэтому принцип суперпозиции в сильных полях уже не выполняется.

Гравитационное излучение

Одним из важных предсказаний ОТО является гравитационное излучение , наличие которого до сих пор не подтверждено прямыми наблюдениями. Однако существуют весомые косвенные свидетельства в пользу его существования, а именно: потери энергии в тесных двойных системах, содержащих компактные гравитирующие объекты (такие как нейтронные звезды или чёрные дыры), в частности, в знаменитой системе PSR B1913+16 (пульсаре Халса - Тейлора) - хорошо согласуются с моделью ОТО, в которой эта энергия уносится именно гравитационным излучением.

Гравитационное излучение могут генерировать только системы с переменным квадрупольным или более высокими мультипольными моментами , этот факт говорит о том, что гравитационное излучение большинства природных источников направленное, что существенно усложняет его обнаружение. Мощность гравитационного n -польного источника пропорциональна , если мультиполь имеет электрический тип, и - если мультиполь магнитного типа , где v - характерная скорость движения источников в излучающей системе, а c - скорость света. Таким образом, доминирующим моментом будет квадрупольный момент электрического типа, а мощность соответствующего излучения равна:

где - тензор квадрупольного момента распределения масс излучающей системы. Константа (1/Вт) позволяет оценить порядок величины мощности излучения.

Начиная с 1969 года (эксперименты Вебера (англ. )), предпринимаются попытки прямого обнаружения гравитационного излучения. В США, Европе и Японии в настоящий момент существует несколько действующих наземных детекторов (LIGO , VIRGO , TAMA (англ. ), GEO 600), а также проект космического гравитационного детектора LISA (Laser Interferometer Space Antenna - лазерно-интерферометрическая космическая антенна). Наземный детектор в России разрабатывается в Научном Центре Гравитационно-Волновых Исследований «Дулкын» республики Татарстан .

Тонкие эффекты гравитации

Измерение кривизны пространства на орбите Земли (рисунок художника)

Помимо классических эффектов гравитационного притяжения и замедления времени, общая теория относительности предсказывает существование других проявлений гравитации, которые в земных условиях весьма слабы и их обнаружение и экспериментальная проверка поэтому весьма затруднительны. До последнего времени преодоление этих трудностей представлялось за пределами возможностей экспериментаторов.

Среди них, в частности, можно назвать увлечение инерциальных систем отсчета (или эффект Лензе-Тирринга) и гравитомагнитное поле . В 2005 году автоматический аппарат НАСА Gravity Probe B провёл беспрецедентный по точности эксперимент по измерению этих эффектов вблизи Земли. Обработка полученных данных велась до мая 2011 года и подтвердила существование и величину эффектов геодезической прецессии и увлечения инерциальных систем отсчёта, хотя и с точностью, несколько меньшей изначально предполагавшейся.

После интенсивной работы по анализу и извлечению помех измерений, окончательные итоги миссии были объявлены на пресс-конференции по NASA-TV 4 мая 2011 года и опубликованы в Physical Review Letters . Измеренная величина геодезической прецессии составила −6601,8±18,3 миллисекунды дуги в год, а эффекта увлечения - −37,2±7,2 миллисекунды дуги в год (ср. с теоретическими значениями −6606,1 mas/год и −39,2 mas/год ).

Классические теории гравитации

См. также: Теории гравитации

В связи с тем, что квантовые эффекты гравитации чрезвычайно малы даже в самых экстремальных экспериментальных и наблюдательных условиях, до сих пор не существует их надёжных наблюдений. Теоретические оценки показывают, что в подавляющем большинстве случаев можно ограничиться классическим описанием гравитационного взаимодействия.

Существует современная каноническая классическая теория гравитации - общая теория относительности , и множество уточняющих её гипотез и теорий различной степени разработанности, конкурирующих между собой. Все эти теории дают очень похожие предсказания в рамках того приближения, в котором в настоящее время осуществляются экспериментальные тесты. Далее описаны несколько основных, наиболее хорошо разработанных или известных теорий гравитации.

Общая теория относительности

В стандартном подходе общей теории относительности (ОТО) гравитация рассматривается изначально не как силовое взаимодействие, а как проявление искривления пространства-времени. Таким образом, в ОТО гравитация интерпретируется как геометрический эффект, причём пространство-время рассматривается в рамках неевклидовой римановой (точнее псевдо-римановой) геометрии . Гравитационное поле (обобщение ньютоновского гравитационного потенциала), иногда называемое также полем тяготения, в ОТО отождествляется с тензорным метрическим полем - метрикой четырёхмерного пространства-времени, а напряжённость гравитационного поля - с аффинной связностью пространства-времени, определяемой метрикой.

Стандартной задачей ОТО является определение компонент метрического тензора, в совокупности задающих геометрические свойства пространства-времени, по известному распределению источников энергии-импульса в рассматриваемой системе четырёхмерных координат. В свою очередь знание метрики позволяет рассчитывать движение пробных частиц, что эквивалентно знанию свойств поля тяготения в данной системе. В связи с тензорным характером уравнений ОТО, а также со стандартным фундаментальным обоснованием её формулировки, считается, что гравитация также носит тензорный характер. Одним из следствий является то, что гравитационное излучение должно быть не ниже квадрупольного порядка.

Известно, что в ОТО имеются затруднения в связи с неинвариантностью энергии гравитационного поля, поскольку данная энергия не описывается тензором и может быть теоретически определена разными способами. В классической ОТО также возникает проблема описания спин-орбитального взаимодействия (так как спин протяжённого объекта также не имеет однозначного определения). Считается, что существуют определённые проблемы с однозначностью результатов и обоснованием непротиворечивости (проблема гравитационных сингулярностей).

Однако экспериментально ОТО подтверждается до самого последнего времени (2012 год). Кроме того, многие альтернативные эйнштейновскому, но стандартные для современной физики подходы к формулировке теории гравитации приводят к результату, совпадающему с ОТО в низкоэнергетическом приближении, которое только и доступно сейчас экспериментальной проверке.

Теория Эйнштейна - Картана

Подобное распадение уравнений на два класса имеет место и в РТГ, где второе тензорное уравнение вводится для учёта связи между неевклидовым пространством и пространством Минковского . Благодаря наличию безразмерного параметра в теории Йордана - Бранса - Дикке появляется возможность выбрать его так, чтобы результаты теории совпадали с результатами гравитационных экспериментов. При этом при стремлении параметра к бесконечности предсказания теории становятся всё более близкими к ОТО, так что опровергнуть теорию Йордана - Бранса - Дикке невозможно никаким экспериментом, подтверждающим общую теорию относительности.

Квантовая теория гравитации

Несмотря на более чем полувековую историю попыток, гравитация - единственное из фундаментальных взаимодействий, для которого пока ещё не построена общепризнанная непротиворечивая квантовая теория . При низких энергиях, в духе квантовой теории поля , гравитационное взаимодействие можно представить как обмен гравитонами - калибровочными бозонами со спином 2. Однако получающаяся теория неперенормируема , и поэтому считается неудовлетворительной.

В последние десятилетия разработаны три перспективных подхода к решению задачи квантования гравитации: теория струн , петлевая квантовая гравитация и причинная динамическая триангуляция.

Теория струн

В ней вместо частиц и фонового пространства-времени выступают струны и их многомерные аналоги - браны . Для многомерных задач браны являются многомерными частицами, но с точки зрения частиц, движущихся внутри этих бран, они являются пространственно-временными структурами. Вариантом теории струн является М-теория .

Петлевая квантовая гравитация

В ней делается попытка сформулировать квантовую теорию поля без привязки к пространственно-временному фону, пространство и время по этой теории состоят из дискретных частей. Эти маленькие квантовые ячейки пространства определённым способом соединены друг с другом, так что на малых масштабах времени и длины они создают пёструю, дискретную структуру пространства, а на больших масштабах плавно переходят в непрерывное гладкое пространство-время. Хотя многие космологические модели могут описать поведение вселенной только от Планковского времени после Большого Взрыва , петлевая квантовая гравитация может описать сам процесс взрыва, и даже заглянуть раньше. Петлевая квантовая гравитация позволяет описать все частицы стандартной модели , не требуя для объяснения их масс введения бозона Хиггса .

Основная статья: Причинная динамическая триангуляция

В ней пространственно-временное многообразие строится из элементарных евклидовых симплексов (треугольник , тетраэдр , пентахор) размеров порядка планковских с учётом принципа причинности . Четырёхмерность и псевдоевклидовость пространства-времени в макроскопических масштабах в ней не постулируются, а являются следствием теории.

См. также

Примечания

Литература

• Визгин В. П. Релятивистская теория тяготения (истоки и формирование, 1900-1915). - М.: Наука, 1981. - 352c.
• Визгин В. П. Единые теории в 1-й трети ХХ в. - М.: Наука, 1985. - 304c.
• Иваненко Д. Д. , Сарданашвили Г. А. Гравитация. 3-е изд. - М.: УРСС, 2008. - 200с.
• Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. - М.: Мир, 1977.
• Торн К. Черные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 2009.

Ссылки

• Закон всемирного тяготения или «Почему Луна не падает на Землю?» - Просто о сложном
• Проблемы гравитации (док. фильм BBC , видео)
• Земля и гравитация ; Релятивиская теория гравитации (телепередачи Гордон «Диалоги» , видео)

Теории гравитации
Стандартные теории гравитации	Альтернативные теории гравитации	Квантовые теории гравитации	Единые теории поля
Классическая физика Общая теория относительности Математическая формулировка общей теории относительности Гамильтонова формулировка общей теории относительности Принципы Геометродинамика (англ. )	Классические Релятивистские

Гравитация — это «искривление» пространства. Чем больше масса, тем большее «искривление» пространства и, следовательно, в это «искривление» «скатываются» более легкие объекты. Все объекты, обращающиеся вокруг Солнца, удерживаются на своих орбитах с помощью гравитации. Но она не только выполняет функции некоей привязи, но ещё и стала той силой, что создала эти объекты. Сила тяготения не позволяет планетам выбирать путь по своему усмотрению, закольцевав их орбиты. Но зависимость от этой силы уменьшается экспоненциально – при удалении в два раза, воздействие ослабляется в четыре раза, а утроение удаления ослабляет силу уже в девять раз.

Ньютон напрямую ассоциировал гравитацию с силой тяжести. К телу приложена сила тяжести, источником которой является иное тело (или тела), а гравитационного поля, как такового, просто не существует. Поскольку гравитация относится к прямому взаимодействию тел, то и определяется она Законом всемирного тяготения. Гравитационному полю придан условный характер, необходимый лишь для расчётов. Для земных условий это вполне допустимо.

Гравитация от Эйнштейна

Гравитационное воздействие описывал ещё Аристотель. Он полагал, что скорость падения предмета зависима от его массы. Но лишь Галилей смог понять, что любое тело имеет равное значение ускорения. А Эйнштейн развил это утверждение в своей теории относительности, описав гравитацию с понятием геометрии пространства-времени.

В классическом представлении сила гравитационного взаимодействия двух точек имеет вид зависимости массы этих точек от расстояния в квадрате между ними. Чем больше тело, тем большее гравитационное поле оно может создать.

Хотя гравитация – взаимодействие очень слабое, но действие её распространяется на любые расстояния .

Гравитационное притяжение универсально по характеру воздействия на материю, нет объектов, не имеющих его. Эйнштейн постулировал, что гравитационные эффекты обуславливаются не силовыми влияниями тела или поля, находящегося в пространстве-времени, а изменениями в самом пространстве-времени. Всё это происходит из-за наличия массы-энергии. По теории Эйнштейна, масса и энергия – это единый параметр тел. Их связывает всем известная формула: Е = m с² Два массивных тела, взаимодействуя между собой, будут искривлять пространство. Но почему происходит это искривление, Эйнштейн ответа дать не смог. Гравитация, в силу своей глобальности, отвечает за явления крупных масштабов. Это структуры, расширяющаяся Вселенная. Но и простые факты астрономии, – планетные орбиты, земное притяжение, падение тел, – тоже зависимы от гравитации.

Небесная механика

Эта часть механики изучает движение тел, находящихся в ничем не заполненном пространстве, на которые действует только гравитация. Самая простая задача раздела – обоснование гравитационного влияния двух тел, точечных или сферических, в пустом пространстве. Если же тел, которые взаимодействуют друг на друга, большее количество, задача усложняется. Численное решение приводит к неустойчивости решений от начальных условий. То есть, применив её к нашей планетной системе, мы не сумеем предугадать планетные движения на периоды, превысившие сто миллионов лет. Описание долговременного поведения системы, состоящей из многих притягивающихся тел с похожей массой, пока невозможно. Этому мешает понятие: динамический хаос.

Гравитационные волны

Гравитационные волны - изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. Излучаются движущимися массами, но после излучения отрываются от них и существуют независимо от этих масс. Математически связаны с возмущением метрики пространства-времени и могут быть описаны как «рябь пространства-времени». Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности. Впервые они были непосредственно обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами обсерватории LIGO, на которых были зарегистрированы гравитационные волны, возникшие, вероятно, в результате слияния двух чёрных дыр и образования одной более массивной вращающейся чёрной дыры.

Гравитон

Поскольку гравитационное взаимодействие присутствует, оно должно как-то переноситься. В 30-х годах ХХ века кандидатом в переносчики стал гравитон. Эта частица пока ещё гипотетическая, но она должна иметь спин 2 и два вероятных направления поляризации. Некоторые физики упорно отвергают существование этой частицы. Они предполагают: если гравитоны имеются, то их должны излучать чёрные дыры, а это вступает в противоречия с ОТО. Но попытки расширить стандартную модель такими частицами сопряжены с реальными трудностями в области высоких энергий. На решении этой задачи основаны некоторые разрабатываемые теории квантовой гравитации. По их положениям гравитоны - состояние струн, а отнюдь не точечные частицы. Но низкие энергии их всё же причисляют к частицам точечным. Пока гравитоны обнаружены не были, потому что гравитационные влияния их необычайно слабы.

Квантовая гравитация

Универсальной квантовой теории, объяснившей бы само понятие гравитации, ещё не разработано. Для представления гравитационного взаимодействия было бы вероятно предложить гравитонный обмен, в котором гравитоны выступают в качестве калибровочных бозонов со спином 2. Но такая теория не считается удовлетворительной. На существующее время есть несколько подходов, разрешающих квантование гравитации. Эти подходы считаются достаточно перспективными.

• Теория струн. Она заменяет частицы фона пространства-времени на и браны (подобие струн). Для решения многомерных задач, браны видятся как частицы уже многомерные, но в тоже время они и структуры пространства-времени. Гравитоны здесь становятся состоянием струн, а не отдельными частицами. Хотя низкие энергии их к ним и причисляют.
• Петлевая квантовая гравитация . Здесь время и пространство являются дискретными частями. Они не привязаны к фону пространства-времени, являясь квантовыми пространственными ячейками. Они между собой соединены таким образом, что в малых временных масштабах представляются дискретной структурой пространства. При укрупнении масштабов, части плавно становятся непрерывным пространством-временем. Петлевая гравитация способна описать сущность Большого взрыва, а также пролить свет на его преддверие. Это даже позволяет обходиться без привлечения .

Сильные гравитационные поля

В очень сильных гравитационных полях могут быть проявления некоторых эффектов ОТО:

• закон тяготения отклоняется от ньютоновского
• появляются гравитационные волны
• есть эффекты нелинейности
• видимое пространство-время изменяет свою геометрию
• возможно появление сингулярностей и рождение чёрных дыр.

Но такие проявления могут иметь место лишь в том случае, если гравитация имеет силу бесконечно большую. Пока что наиболее плотными объектами Вселенной, которые удалось обнаружить, являются . В одной из многих теорий гравитационное поле рассматривается в качестве основы для любого поля – магнитного, электрического, глюонного. В таком случае гравитоны становятся базовыми элементами материи. Ну, а чёрная дыра является гравитонной , где силой тяготения разрушаются абсолютно все элементарные частицы, кроме гравитонов. И остаётся лишь одно свойство – гравитация.

Гравитационный коллапс

Когда массивное тело, испытывая гравитационные силы, катастрофически быстро сжимается, происходит его коллапс. Так может закончиться жизнь звезды, имеющей массу более трёх солнечных. Когда в звездах заканчивается запас топлива для продолжения термоядерного процесса, их механическая устойчивость нарушается, и происходит стремительное, с ускорением, сжатие к центральной части. Если давление внутри звезды, которое постоянно растёт, сможет остановить сжатие, то центральная часть светила превратится в нейтронную звезду. При этом возможно сбрасывание оболочки и вспыхивание сверхновой. Но при превышении звездой массы, определённой пределом Оппенгеймера-Волкова, коллапс закончится преобразованием её в чёрную дыру. Значение данного предела пока точно не установлено.

Некоторые парадоксы

1. Вращающийся вокруг Земли спутник, по отношению к планете, невесом. И всё, что в нём находится, также невесомо. , относительно , опять же невесома, но тела на её поверхности весом уже обладают. Тоже самое и с Землёй. Она невесома относительно , но мы на ней вес ощущаем. Солнце тоже невесомо относительно галактического ядра. И так – до бесконечности.
2. В звёздах, в процессе термоядерных реакций, создаётся огромное давление. Но оно сдерживается гравитационными силами. То есть, существование звезды возможно потому, что присутствует динамическое равновесие: температура-давление – гравитационные силы.
3. В чёрной дыре прекращаются все процессы, кроме одного – гравитации. Её ничто не может поглотить или искривить.

Гравитация – это, казалось бы, простое понятие, известное каждому человеку еще со времен школьной скамьи. Все мы помним историю о том, как на голову Ньютона упало яблоко, и он открыл закон всемирного тяготения. Однако все не так просто, как кажется. В той статье мы попытаемся дать ясный и исчерпывающий ответ на вопрос: что такое гравитация? А также рассмотрим главные мифы и заблуждения об этом интересном явлении.

Говоря простыми словами, гравитация — это притяжение между двумя любыми объектами во вселенной. Гравитацию можно определить, зная массу тел и расстояние от одного до другого. Чем сильнее гравитационное поле, тем больше будет вес тела и выше его ускорение. Например, на Луне вес космонавта будет в шесть раз меньше, чем на Земле. Сила гравитационного поля зависит от размеров объекта, который оно окружает. Так, лунная сила притяжения в шесть раз ниже земной. Впервые обосновал это научно и доказал с помощью математических вычислений ещё в XVII веке Исаак Ньютон.

Что упало на голову Ньютону

Несмотря на то, что сам великий английский ученый частично подтверждал известную всем легенду о яблоке и ушибе головы, всё же, сейчас можно сказать с уверенностью, что при открытии закона всемирного тяготения обошлось без травм и озарений. Основой, заложившей новую эру в естественных науках, стал труд «Математические начала натуральной философии». В нем Ньютон описывает закон тяготения и важные законы механики, открытые им за долгие годы напряженной работы. Знаменитый физик был натурой неторопливой и рассудительной, как и положено гениальному ученому. А поэтому от начала раздумий о природе тяготения до издания научной работы о ней прошло больше 20 лет. Впрочем, легенда об упавшем фрукте могла иметь под собой и какие-то реальные основания, вот только голова физика однозначно осталась цела.

Законы притяжения изучались и до Исаака Ньютона самыми различными научными деятелями. Но только он впервые математически доказал прямую взаимосвязь между тяготением и движением планет. То есть падающим с ветки яблоком и вращением луны вокруг земли управляет одна и та же сила – гравитация. И она действует на любые два тела во вселенной. Эти открытия заложили основу так называемой небесной механики, а также науки о динамике. Ньютоновская модель господствовала в науке более двух веков вплоть до появления теории относительности и квантовой механики.

Что думают о гравитации современные ученые

Гравитация является самым слабым из четырех известных на данный момент фундаментальных взаимодействий, которым подчиняются все частицы и составленные из них тела. Помимо гравитационного взаимодействия сюда же входят электромагнитное, сильно и слабое. Исследуются они на основании разных теорий, так, например, в приближенных скоростях небольшой гравитации применяют теорию тяготения еще самого Ньютона. А в общем случае используют общую теорию относительности Эйнштейна. Кроме того, описание гравитации в квантовом пределе должно будет осуществляться при помощи еще не появившейся квантовой теории.

Безусловно, сегодня физика сложна и выходит далеко за рамки представлений об окружающем мире обычного человека. Но интересоваться ей необходимо хотя бы на уровне основных понятий, ведь вполне возможно, что уже в ближайшее время мы можем стать свидетелями удивительных открытий в этой области, которые кардинально изменят жизнь человечества. Будет неловко, если вы вообще не поймете, что происходит.

Мифы о гравитации

Не только незнание, но и постоянные новые открытия в данной научной сфере порождают различные несуразицы и мифы о гравитации. Итак, несколько общепринятых заблуждений об этом уникальном явлении:

• Искусственные спутники никогда не сойдут с орбиты Земли и будут вечно вращаться вокруг неё . Это неправда. Дело в том, что помимо земного притяжения в космосе имеются и другие различные факторы, влияющие на орбиту тел. Это и торможение атмосферы для низких орбит и гравитационные поля Луны и других планет. Скорее всего, если дать спутнику вращаться без контроля на долгое время, его орбита будет изменяться, и в конечном счете он либо улетит в космические просторы, либо упадет на поверхность ближайшего тела.
• В космосе отсутствует гравитация. Даже на станциях, на которых космонавты пребывают в невесомости есть довольно сильная гравитация, чуть меньше, чем на Земле. Почему же тогда они не падают? Можно сказать, что сотрудники станции как бы находятся в состоянии постоянного падения, но никак упадут.
• Объект, приблизившийся к чёрной дыре, будет разорван. Довольно известный миф. Сила притяжение черной дыры действительно увеличится при приближении к ней, но совсем не обязательно, что приливные силы окажутся настолько мощными. Скорее всего они на горизонте событий обладают конечным значением, поскольку расстояние считается от центра дыры.